蔡躍波 丁建彤 陳 波 石南南 董 波

(南京水利科學(xué)研究院,南京 210029)

大型水利工程的混凝土開裂問題是涉及結(jié)構(gòu)耐久性和安全性的關(guān)鍵問題.大壩混凝土普遍采用以混凝土極限拉伸值和絕熱溫升等單項(xiàng)性能作為抗裂評價指標(biāo)的弊端已為人們所認(rèn)識[1].而目前應(yīng)用最多的綜合性抗裂評價方法——圓環(huán)法與平板法[2]并不適用于大壩混凝土的抗裂性評價.平板法適用于模擬暴露面積很大的薄壁結(jié)構(gòu)塑性收縮和干縮對開裂的影響;圓環(huán)法適用于評價早期干縮和自生收縮的影響.2種試驗(yàn)方法均存在以下不足：無法模擬實(shí)際工程中混凝土的溫度發(fā)展歷程、約束程度單一及應(yīng)力的發(fā)展過程不可監(jiān)測;受試件尺寸限制,無法進(jìn)行大骨料混凝土的試驗(yàn);試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性大.因此,需要一種能客觀評價大壩混凝土抗裂的試驗(yàn)方法.

基于溫度-應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)(TSTM)的大壩混凝土抗裂性研究最早于 1983—1985年在奧地利的 Zill-ergrundl壩得到應(yīng)用[3-5].但大壩混凝土膠凝材料較少,骨料粒徑在 5～120(150)mm之間,混凝土流動性較差,在試驗(yàn)機(jī)的模板中振搗密實(shí)比較困難,而且混凝土本身的應(yīng)力、變形絕對變化量比高強(qiáng)高性能混凝土低,因此對試驗(yàn)機(jī)的測控能力及機(jī)械加工的精度要求更高.隨著高效減水劑的發(fā)展,測控技術(shù)以及機(jī)械加工精度的提高,目前利用溫度-應(yīng)力試驗(yàn)機(jī)評價大壩混凝土的抗裂性的技術(shù)已相對成熟.

本文利用 TSTM,以 2種骨料組合的大壩常態(tài)混凝土為例,進(jìn)行了綜合抗裂性評價.

1 TSTM試驗(yàn)方法

TSTM結(jié)構(gòu)原理示意如圖 1所示.試驗(yàn)系統(tǒng)采用計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制,配有約束試件與自由試件.自由試件不受約束,在與約束試件溫度歷程保持完全相同的情況下自由變形.約束試件有 2個楔形夾頭,一個固定在基架上,另外一個為活動夾頭.活動夾頭與荷載傳感器連接在步進(jìn)電機(jī)的減速箱上,試件累計(jì)變形達(dá)到預(yù)先設(shè)定閾值(如 1μm)時,步進(jìn)電機(jī)對試件進(jìn)行拉/壓動作,使其始終保持在原點(diǎn),從而實(shí)現(xiàn)近似 100%的約束程度.溫控模板通過循環(huán)介質(zhì)可以對試件進(jìn)行加熱或冷卻,使試件處于不同的溫度狀態(tài).試件兩側(cè)平行設(shè)置 2個位移傳感器(非接觸式激光位移傳感器或 LVDT,精度為0.1μm).控制系統(tǒng)通過溫度傳感器、荷載傳感器和位移傳感器自動記錄試件的溫度、應(yīng)力和變形.

圖1 閉環(huán)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)原理圖[6]

圖 2為本文試驗(yàn)所采用的 TSTM實(shí)物照片.

圖2 TSTM實(shí)物圖

2 試驗(yàn)原材料與配合比

試驗(yàn)采用的原材料為峨嵋 P?MH 42.5中熱水泥和曲靖Ⅰ級粉煤灰.外加劑為 ZB-1A型高效減水劑和 M icro-Air 202型引氣劑.細(xì)骨料為人工砂巖砂和人工大理巖砂(見表 1).粗骨料為人工砂巖碎石(見表 2).針片狀含量 3.6%,壓碎指標(biāo)6.3%.試驗(yàn)用配合比見表 3,為使 2組混凝土坍落度控制在 3～5 cm,微調(diào)了砂率及外加劑的摻量.

表1 細(xì)骨料的主要性能

表2 粗骨料的表觀密度及飽和面干吸水率

表3 混凝土配合比 kg/m3

3 TSTM試驗(yàn)結(jié)果分析

試件截面為 150mm×150mm,試件有效長度為 1.5m.溫度傳感器精度 0.1℃,位移傳感器精度 0.1μm.試驗(yàn)時,將新拌混凝土粒徑大于 40mm的骨料篩除,然后直接澆筑在試驗(yàn)機(jī)的模板中,振搗密實(shí),埋置測溫銅管后,在試件表面覆蓋一層塑料薄膜,然后加蓋保溫模板,安裝位移傳感器.試件與外界無水分交換,故無干燥收縮發(fā)生,試件的變形僅包括自生體積變形和溫度變形.試驗(yàn)過程中,保持室溫在(20±2)℃,減小溫度對機(jī)械變形的影響.試件處在半絕熱狀態(tài)下自由升溫,混凝土試件與循環(huán)介質(zhì)的溫差控制在 ±0.5℃以內(nèi),達(dá)到最高溫度后保溫 48 h,然后以 1～5℃/h的速率對循環(huán)介質(zhì)進(jìn)行強(qiáng)制降溫,直至試件斷裂.SD/SS的約束試件的溫度及應(yīng)力發(fā)展歷程如圖 3和圖 4所示,自由試件的變形如圖 5所示.

圖3 SD/SS溫度發(fā)展歷程

圖4 SD/SS應(yīng)力發(fā)展歷程

SD/SS的溫度-應(yīng)力試驗(yàn)參數(shù)見表 4.兩者最高溫升、開裂時間基本相同.SD的最大壓應(yīng)力、開裂應(yīng)力大于SS,而自由試件的最大變形比SS低(超過了 20%).在所有參數(shù)中,兩者的開裂溫度差別最大,其差值達(dá) 37.5℃.

圖5 SD/SS自由試件變形發(fā)展歷程

由于 2個配合比的膠凝材料用量和水膠比相同,因此,兩者的最高溫度相差不大.但是,比較兩者的熱學(xué)性能參數(shù)(見表 5)可知,SD的比熱容大,導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)溫系數(shù)小,因此 SD的溫度值較 SS低 0.7℃,這是由骨料熱學(xué)性能差異引起的.文獻(xiàn)[7]采用相同料源的骨料進(jìn)行組合試驗(yàn),結(jié)果表明,當(dāng)采用大理巖砂代替砂巖砂時,混凝土絕熱溫度可降低 0.6℃.因此,TSTM試驗(yàn)?zāi)軌蜢`敏地比較出骨料品種對混凝土熱學(xué)性能的影響.

表4 SD/SS關(guān)鍵參數(shù)對比

表5 混凝土熱學(xué)性能參數(shù)

為了保證 2組試件的成熟度基本一致,對 SD在 125 h齡期后將降溫速率增大到 2.5～5.0℃/h.如果保持 1℃/h的降溫速率,SD的開裂時間將會有所延長;同時,快速降溫減小了 SD的拉應(yīng)力松弛程度.

由于骨料本身的熱膨脹系數(shù)和表面粗糙度不同,混凝土的線膨脹系數(shù)有明顯差異.通過對自由試件的變形與溫度關(guān)系曲線進(jìn)行線性擬合(見圖6),得出線膨脹系數(shù)分別為：SD升溫段 α=10.0×10-6/℃,SD降溫段 α=8.5×10-6/℃,SS升溫段α=12.2×10-6/℃,SS降溫段 α=9.9×10-6/℃.總體上,SD的線膨脹系數(shù)比 SS的小,這與熱膨脹系數(shù)測試的結(jié)果(見表 5)類似.從抗裂性的角度,低熱膨脹系數(shù)有利于減小溫度變形,于抗裂有利.大量研究結(jié)果表明,早齡期混凝土的熱膨脹系數(shù)從20×10-6/℃左右急劇降低到 10×10-6/℃左右[8],而且混凝土自生體積變形也是在早期發(fā)展最快[9].TSTM試驗(yàn)綜合反映了混凝土升溫期和降溫期線膨脹系數(shù)的差異.在大壩混凝土內(nèi)部,溫度變形和自生體積變形同步發(fā)生,因此,線膨脹系數(shù)比采用標(biāo)準(zhǔn)方法測試的熱膨脹系數(shù)及自生體積變形更有利于指導(dǎo)大壩混凝土溫度應(yīng)力的計(jì)算分析.

圖6 自由試件變形與溫度關(guān)系曲線

4 TSTM試驗(yàn)抗裂性評價指標(biāo)

文獻(xiàn)[3]利用 TSTM試驗(yàn)研究了 7種不同水泥對混凝土抗裂性的影響,結(jié)果發(fā)現(xiàn),混凝土的最高溫度并不能表征混凝土的抗裂能力(見圖 7).以B水泥配制的混凝土為例,按照最高溫度來排序,該混凝土最高溫度 44℃,僅比最高的A低1℃,排在第 2位;按照開裂溫度來排序,該混凝土開裂溫度 3.5℃是最低的.

圖7 混凝土最高溫度與開裂溫度比較[3]

混凝土最大預(yù)壓應(yīng)力也不宜作為抗裂性評價的指標(biāo).混凝土在達(dá)到溫峰之前,壓應(yīng)力就開始松弛,不同混凝土在恒溫階段的松弛程度差別較大.文獻(xiàn)[3]研究 7個配比混凝土的預(yù)壓應(yīng)力,其松弛程度在 0.11～0.50之間;文獻(xiàn)[4]研究 4個配比混凝土的預(yù)壓應(yīng)力,其松弛程度在 0.20～0.40之間.

用開裂應(yīng)力來判斷混凝土的抗裂能力也有其不合理性.不同混凝土在開裂時的抗拉強(qiáng)度是不同的,利用開裂應(yīng)力與抗拉強(qiáng)度的比值要更合理[10].但是,必須提供與 TSTM試件同樣溫度歷程下混凝土的抗拉強(qiáng)度測試結(jié)果.

就TSTM試驗(yàn)本身而言,采用開裂溫度來評價混凝土抗裂性是合理的[11].開裂溫度綜合反映了混凝土的水化熱溫升、升溫階段壓應(yīng)力、降溫階段拉應(yīng)力、應(yīng)力松弛、彈性模量、抗拉應(yīng)變?nèi)菰S值、抗拉強(qiáng)度、線膨脹系數(shù)、自生體積變形等因素的交互影響.采用開裂溫度作為抗裂性評價指標(biāo)[3,12-13],混凝土的工程實(shí)際表現(xiàn)與試驗(yàn)結(jié)論的一致性很好.

5 開裂溫度與單項(xiàng)性能評價結(jié)果對比

由表 6可知,SD的抗壓強(qiáng)度及劈裂抗拉強(qiáng)度均高于 SS;從圖 8的收縮測試結(jié)果可知,SD的干燥收縮明顯低于 SS.劈裂抗拉強(qiáng)度及干燥收縮值通常作為評價混凝土抗裂性最直接的單項(xiàng)性能,從測試結(jié)果分析,SD的抗裂性優(yōu)于 SS.骨料本身彈性模量的大小對混凝土的力學(xué)性能有明顯影響.文獻(xiàn)[7]得出了砂巖-大理巖骨料組合的混凝土抗裂性高于全砂巖組合的結(jié)論.這與以開裂溫度作為判據(jù)得出的評價結(jié)果是一致的.

表6 SD/SS抗壓與劈裂抗拉強(qiáng)度 MPa

圖8 SD/SS干燥收縮值

6 結(jié)論

1)不同骨料的彈性模量與熱膨脹系數(shù)的差別對混凝土的抗裂性有明顯的影響.

2)TSTM試驗(yàn)測得的綜合線膨脹系數(shù)比采用標(biāo)準(zhǔn)方法測試的熱膨脹系數(shù)及自生體積變形更有利于指導(dǎo)大壩混凝土溫度應(yīng)力的計(jì)算分析.

3)對 TSTM試驗(yàn)而言,開裂溫度能夠作為綜合評價混凝土抗裂性的指標(biāo).

4)TSTM試驗(yàn)涵蓋了早齡期混凝土的力學(xué)、熱學(xué)及變形性能發(fā)展的過程,相對于單項(xiàng)性能指標(biāo)而言,更能夠客觀地綜合評價大壩混凝土的抗裂性.

5)TSTM法縮短了評價周期,適用于混凝土配合比設(shè)計(jì)和優(yōu)化及抗裂性評價.

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